厭氧氨氧化影響因素與工藝研究進展

甘雨林

摘 要：本文概述了厭氧氨氧化的反應機理以及溫度、基質濃度、溶解氧、有機物等因素對厭氧氨氧化過程的影響，并且以鹿特丹DOKHAVEN水廠和西安市第四污水處理廠為例，分析了厭氧氨氧化的實際應用。

關鍵詞：厭氧氨氧化;污水處理;影響因素;脫氮

中圖分類號：X703文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0114-03

Abstract： This paper summarized the reaction mechanism of ANAMMOX and the effects of temperature， substrate concentration， dissolved oxygen and organic matter on the process of anammox. Taking DOKHAVEN water plant in Rotterdam and Xi'an No. 4 sewage treatment plant as examples， this paper analyzed the practical application of anammox.

Keywords： anaerobic ammonium oxidation;sewage treatment;nitrogen removal

現如今，我國有機污染物得到有效遏制，但在部分水體中仍存在水體富營養化現象。造成該現象的一部分原因是經污水廠處理后的污水氨氮和總氮未達標。我國在城市污水處理方面，隨著國家對出水水質要求的提高，利用傳統的硝化反硝化技術處理污水已經很難滿足國家的排放標準。傳統的硝化反硝化技術存在以下問題：①總氮去除率低，脫氮效果差，處理后的水質難以達標;②運行能耗和處理成本高;③處理系統穩定性偏差;④剩余污泥產量大;⑤處理過程伴隨著溫室氣體的大量排放。

為此，研究人員不斷對污水脫氮工藝進行優化并開發新型污水脫氮工藝。厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，ANAMMOX）工藝[1]作為一種新型工藝，引起了研究人員的廣泛關注。ANAMMOX工藝具有無須外加碳源、無須曝氣、溫室氣體產量小、污泥產量少、脫氮效率高、成本低等優點。隨著研究的不斷深入，現在世界上已經有一小部分污水處理廠采用ANAMMOX工藝進行污水脫氮。ANAMMOX在污水處理方面具有巨大的潛力，但是，由于厭氧氨氧化菌（Anaerobic Ammonia Oxidation Bacteria，AnAOB）存在倍增時間較長、難以持留等問題，導致其不能規模化應用。本文圍繞ANAMMOX工藝反應機理、影響因素、工藝發展、實際運用情況進行綜述，并對制約該工藝應用的瓶頸進行分析，為后續厭氧氨氧化工藝的實際應用提供理論指導。

1 厭氧氨氧化的反應機理

目前，學者公認的ANAMMOX反應模型有兩種。第一種是以NH2OH為中間體的反應模型，該模型由Graaf等通過同位素標記15N提出[2]。[NO-2]先被還原成[NH2OH]，然后AnAOB以[NH2OH]為電子受體將[NH+4]氧化為[N2H4]，最終[N2H4]經過兩次氧化成為N2。基于15N標記的ANAMMOX代謝途徑如圖1所示。

第二種是以[NO]為中間體的反應模型。該模型由Kartal等[3]通過Kuenenia.stuttgartiensis基因組學提出。首先[，NO-2]在亞硝酸鹽還原酶（Nitrite Reductase，NiR）作用下還原成[NO]，之后[NO]和[NH+4]在聯氨水解酶（Hydrazine Hydrolase，HH）作用下生成[N2H4]，最后[N2H4]在羥胺氧化還原酶（Hydroxylamine Oxidoreductase，HAO）作用下生成N2。基于Kuenenia.stuttgartiensis基因組學的ANAMMOX代謝途徑如圖2所示。

2 厭氧氨氧化的影響因素

AnAOB是化能自養菌，其生長緩慢，倍增時間較長。經大量試驗研究發現，影響AnAOB進行ANAMMOX反應的主要因素有溫度、基質濃度、溶解氧、有機物等。

2.1 溫度

AnAOB最適宜生長的溫度為25～40 ℃，當溫度降低到15 ℃以下時，ANAMMOX活性會顯著降低。LAURENI等人通過研究發現，當溫度從29 ℃降至12.5 ℃時，ANAMMOX的反應速率從465 mgN/（L·d）降至46 mgN/（L·d），而且AnAOB的倍增時間將從18 d增加至79 d[4]。LI等研究發現，當溫度從25～35 ℃降至10～15 ℃時，氮的去除負荷從1.67～1.82 kgN/（m3·d）降至0.48 kgN/（m3·d），但當溫度回升至18 ℃時，氮的去除負荷恢復到1.32 kgN/（m3·d） [5]。DOSTA等研究發現，當溫度提升至45 ℃時，厭氧氨氧化反應受到嚴重的抑制作用，并且高溫導致厭氧氨氧化菌的失活是不可逆轉的[6]。

2.2 基質濃度

根據厭氧氨氧化反應可知，[NH+4]和[NO-2]必須同時存在時，才能進行厭氧氨氧化反應，并且改變[NH+4]和[NO-2]的濃度或者比值會對厭氧氨氧化反應產生影響。安芳嬌等采用厭氧氨氧化反應器（ASBR）處理模擬生活污水，考察低基質比、降溫方式及pH對系統脫氮性能的影響[7]。LI等通過研究發現，氨氮和亞硝酸鹽濃度過高，會使厭氧氨氧化反應受限，尤其是亞硝酸鹽濃度過高時，會對厭氧氨氧化菌產生明顯的毒性作用[8]。錢俊偉等采用升流式厭氧流化床反應器，研究高濃度厭氧氨氧化工藝的脫氮效能。結果表明：總氮容積負荷為2.52 kgN/（m3·d）時，總氮去除負荷為1.29 kgN/（m3·d）;當總氮容積負荷提升至3.20 kgN/（m3·d）時，總氮去除負荷降至1.08 kgN/（m3·d），但是當采用150%的回流時，可有效緩解高濃度基質對厭氧氨氧化菌的活性抑制[9]。

2.3 溶解氧

眾多學者經研究發現，AnAOB屬于厭氧菌，ANAMMOX反應容器中溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）的存在會抑制AnAOB的活性。EGLI等通過研究發現，在1%氧飽和度下，AnAOB會產生可逆抑制，氧飽和度超過18%時，AnAOB會產生不可逆抑制[10]。張杰等通過研究發現，采用缺氧、好氧時間比為4 min∶2 min的曝氣方式時，氨氧化細菌（AOB）在與亞硝酸鹽氧化菌（NOB）競爭的過程中處于優勢地位，[NO-2]積累率高達95%[11]。FUMIN等在研究如何快速啟動短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝時，第一階段（1～26 d）采用間歇曝氣，并保持溶解氧（DO）濃度在0.3～0.8 mg/L。一周之后，反應器開始出現亞硝酸鹽的積累，同時開始進行厭氧氨氧化反應，但此時亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的活性沒有得到有效抑制[12]。

2.4 有機物

AnAOB作為一種以CO2為主要碳源的化能自養型微生物，足夠的無機碳能促進其生長，增強AnAOB的活性。然而，過多有機碳往往會對AnAOB產生抑制作用。MOLINUEVO等通過研究發現，隨著有機碳濃度的增加，反硝化菌在與厭氧氨氧化菌爭奪反應基質中逐漸占優勢，最終厭氧氨氧化菌被完全抑制[13]。嚴子春等通過研究發現，進水化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）濃度為30 mg/L和60 mg/L時，總氮去除率分別為89.18%和94.51%，但當進水化學需氧量（COD）濃度為90 mg/L時，總氮去除率下降至89.05%。這說明適宜的有機物濃度可使反硝化與厭氧氨氧化高效耦合，從而提升脫氮效率[14]。

3 厭氧氨氧化的實際應用

3.1 短程硝化耦合厭氧氨氧化（PNA）工藝的實際應用

世界上首座ANAMMOX實際工程在2002年被荷蘭帕克公司應用于鹿特丹DOKHAVEN水廠[15]。DOKHAVEN水廠主要處理來自鹿特丹市中心、南部與西部部分地區的城市污水。DOKHAVEN水廠采用兩段式SHARON（Single Reactor for High Ammonium Removal Over Nitrite，中溫亞硝化）+ANAMMOX系統處理污泥消化液，其工藝為短程硝化耦合厭氧氨氧化（Partial Nitrification and ANAMMOX，PNA），進水氨氮濃度在1 200 mg/L左右，ANAMMOX反應器設計容積為70 m3，設計處理量為500 kgN/d，總氮去除負荷成功啟動后能夠達到10 kg/（m3·d），占地面積僅為同規模污水處理廠占地面積的1/4[16]。DOKHAVEN水廠在2002年的改造升級中不僅節省了土地資源，而且節約了能源。同時，該水廠的升級改造也證實了ANAMMOX工藝具有巨大潛力。國外采用主流短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝，運行較為成功的污水處理廠為新加坡樟宜回用水處理廠。該水廠目前是新加坡日處理城市污水量最大的回用水處理廠，日處理量高達8×105 t[17]。其工藝采用五點分段進水活性污泥工藝，水力停留時間為5.8 h，污泥齡為5 d。由于其地理位置和氣候條件的影響，污水水溫長時間保持在28～32 ℃，這也是樟宜回用水廠能實現短程硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PNA）穩定運行的先天優勢。樟宜回用水廠與新加坡其他水廠相比，能耗降低達60%，產泥率降低達80%[18]。

3.2 短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PDA）工藝的實際應用

國內采用ANAMMOX工藝并且運行較為成功的污水處理廠為西安市第四污水處理廠。西安市第四污水處理廠是我國最早一批建設的A2/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic，厭氧-缺氧-好氧）工藝超大型城市污水處理廠[19]，其設計處理能力為5×105 m3/d。LI等人通過15N穩定性同位素示蹤測試與異位活性檢測證明，短程反硝化耦合厭氧氨氧化是該水廠自養脫氮的主要貢獻途徑，通過宏基因組測序和qPCR（Real-time Quantitative PCR，實時熒光定量PCR技術）檢測證明了在厭氧生物膜中有ANAMMOX菌的富集[20]。西安市第四污水處理廠水溫為10～20 ℃，該溫度低于AnAOB的適宜溫度，但卻成功實現了短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（Partial Denitrification and ANAMMOX，PDA）的啟動與穩定運行[21]。西安第四污水處理廠是世界上為數不多能夠穩定運行短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝（PDA）的污水處理廠。該污水廠的成功運行證實了ANAMMOX工藝能夠在低溫條件下運行，不僅推動低溫條件下ANAMMOX工藝的研究，并且在全球范圍內都具有積極的示范意義。

4 結語

雖然ANAMMOX工藝具有無須曝氣、無須外加碳源、產泥量少、高效率等優勢，但仍然存在許多問題阻礙著ANAMMOX的發展與應用。其中，最主要的問題為：①AnAOB倍增時間長，難以富集;②ANAMMOX系統的脫氮性能偏低，出水中含有較高的硝酸鹽;③ANAMMOX工藝無法在低溫下穩定運行。在今后的研究中，學者應針對這些問題進行研究，以不斷優化ANAMMOX工藝。

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